CC BY
248
УДК 629.42
В. А. Мнацаканов
ОСНОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ
Рассматривается электрическая тяга, ее место в системе наук, цели и методы исследования, эмпирические и теоретические законы.
электрическая тяга, законы, наука, методы, направления развития.
Введение
Электрическая тяга в современном ее виде выступает как наука и как производственный процесс.
Электрическая тяга - прикладная наука, опирающаяся в своих суждениях, расчетах и выводах на физику, математику, экономику.
Электрическая тяга - наука о затратах электроэнергии на перемещение грузов, о перемещении грузов с помощью электроподвижного состава,
0 превращении электроподвижным составом электрической энергии в механическую работу, о превращении механической энергии электроподвижного состава в электрическую энергию и о взаимодействии электроподвижного состава с элементами пути, системой энергоснабжения и окружающей средой.
Как производственный процесс электрическая тяга - это процесс превращения электроэнергии в перемещение грузов. Оценка эффективности этого процесса состоит в экономическом сравнении результатов проделанной электроподвижным составом механической работы и понесенных при этом потерь.
Механическая работа - главная цель электрической тяги. Электроподвижной состав - это механизм, с помощью которого реализуются силы тяги-торможения и выполняется механическая работа.
Основания электрической тяги - это объяснение места и роли электрической тяги как науки в системе наук, целей и вопросов, которые она исследует; обоснование основных понятий, методов и критериев, которыми она руководствуется при решении стоящих перед нею задач, объяснение результатов, которые были или будут получены с помощью этих методов, места и роли электрической тяги как производственного процесса в системе производственных и общественных отношений и обоснование основных направлений ее развития.
1 Место и роль электрической тяги
Место электрической тяги в системе наук определяется, с одной стороны, тем, что электрическая тяга - это прикладная наука, направленная на обслуживание и оптимизацию перевозочного процесса, с другой стороны,
тем, что новые методы и законы, которые построены в рамках электрической тяги, могут быть применены в других областях знания.
Роль электрической тяги заключается в том, что она гармонично и целенаправленно объединяет в себе знания различных наук и на этой основе создает свои собственные методы исследования, вырабатывает свои собственные теории и «правила игры».
2 Цель электрической тяги и вопросы, которые она исследует
Цель электрической тяги как науки - обосновать теоретически и вывести принципы и законы электрификации транспортных систем, разработать теоретические основы расчета и выбора параметров электроподвижного состава, методики проведения его тягово-энергетических испытаний, правила тяговых расчетов.
Электрическая тяга исследует вопросы преобразования электроэнергии в механическую работу, вопросы параметрического развития устройств электрической тяги и комплексные проблемы перевозок на электрическом транспорте.
Основным объектом исследований электрической тяги является «единичная перевозка». Требования к качеству основного объекта постоянно возрастают и усложняются в связи с обострением проблем безопасности, охраны окружающей среды и естественным стремлением человека экономить свое время, перемещая себя и свои грузы с максимально возможной скоростью.
3 Законы электрической тяги
Электрическая тяга как наука состоит из двух частей: эмпирической и теоретической. Эмпирическая часть всегда преследовала чисто практические цели и потому достаточно хорошо развита. Ей не пришлось создавать собственные законы, а потребовалось лишь использовать для своих нужд законы из других областей знаний, главным образом из физики:
• динамики Ньютона;
• сохранения энергии Майера;
• Ома;
• Джоуля-Ленца;
• Кирхгофа;
• теплопередачи;
• Амонсона;
• Фарадея-Максвелла;
• Ампера
и др.
Формулы, описывающие эти законы, представлены практически в каждом учебнике по основам электрической тяги [1].
Эмпирическая часть электрической тяги изучает источники питания, приемники электроэнергии, электрические машины, преобразователи, электроподвижной состав, сопротивление движению, сцепление и пр.
Теоретическая часть рассматривает вопросы параметрического и качественного взаимодействия между указанными компонентами.
Теоретическая часть несет "защитные" от "внешних врагов" функции и занимается воспроизводством самой электрической тяги как науки. Она призвана раскрывать закономерности, присущие объектам электрической тяги, показывать, каким образом "феномен жизни" передается от вагона к вагону, от электровоза к электровозу, от дороги к дороге, от одного устройства электрической тяги к другому. Именно эта часть электрической тяги недостаточно развита в настоящее время. Косвенным подтверждением этому является, в частности, отсутствие теоретических разделов в учебниках по электрической тяге и задачника по электрической тяге.
Недостаточное внимание к теории электрической тяги обусловлено отчасти тем, что порой сложно бывает обосновать практические выгоды, которые несет с собой развитие этой части тяги, как «не всегда легко бывает объяснить, какова практическая польза от философии или как оценить социальное значение произведений искусства» [2]. А ведь до той поры, пока в развитии теории электрической тяги не будут сделаны серьезные шаги, трудно предположить, что можно создать, например, адекватную требованиям сегодняшнего дня теорию тяговых преобразователей, достаточно основательно теоретически и практически решать проблемы выбора системы тяги для разных железных дорог, проблемы высокоскоростного движения, вопросы выбора тягового привода.
В центре электрической тяги стоит тяговый расчет. С его помощью устанавливают, сколько электрической энергии было затрачено на выполнение механической работы по перемещению электроподвижного состава и каким образом осуществлялось само перемещение (скорость перемещения, время, пройденный путь, ускорение, замедление, длина тормозного пути). Для выполнения тяговых расчетов используют указанные выше законы Ньютона, законы нагревания тел и др. Поскольку эти законы были выведены путем обобщения результатов многократных наблюдений и измерений, постольку они являются эмпирическими, а не теоретическими законами [2]. Они имеют дело с наблюдаемыми величинами и используются для объяснения наблюдаемых фактов и предсказания будущих наблюдаемых событий.
Теоретические законы отличаются от эмпирических законов тем, что относятся к ненаблюдаемым величинам [2]. В электрической тяге к ненаблюдаемым величинам относятся, например, тяговые параметры проектируемого подвижного состава.
Теоретические законы электрической тяги отличаются от используемых ею эмпирических законов тем, что устанавливают соответствия между тяговыми параметрами проектируемых электротяговых устройств и их бу-
дущими выходными характеристиками и являются, по существу, законами проектирования тяги.
К теоретическим законам электрической тяги, по мнению автора, можно отнести, например, закон В. Е. Розенфельда (о выборе оптимального режима движения проектируемого электропоезда) [3], параметрические законы полного и ослабленного поля [4] и т. п. В отличие от уравнений движения, используемых в тяговых расчетах, которые с помощью эмпирических законов описывают реальные перемещения подвижного состава, параметрические законы описывают «перемещения», которые нельзя ни наблюдать, ни измерить. Это, по сути, «перемещения» от одних параметров проектируемого объекта к другим.
Следствия из теоретических законов позволяют глубже проникать в сущность изучаемых электрической тягой процессов и явлений, лучше понимать их физический смысл, качественно оценивать и предсказывать результаты будущих тягово-энергетических испытаний проектируемого электроподвижного состава.
Например, о многом говорит первое следствие из закона ослабленного поля: при питании от источника ограниченной мощности время разгона до заданной скорости у электропоезда, тяговые двигатели которого оснащены устройствами регулирования возбуждения, будет меньше, чем у электропоезда, не оснащенного такими устройствами, на величину, равную времени работы тяговых двигателей в режиме регулирования возбуждения.
Иначе говоря, чем большим по продолжительности запроектирован на электропоезде режим регулирования возбуждения (режим поддержания постоянной мощности тяги), тем быстрее он будет разгоняться, раньше отключаться от сети и переходить на выбег для экономии электроэнергии на тягу; тем экономичнее он будет в эксплуатации. Первое следствие достаточно точно предсказывает это.
Еще одно следствие из закона ослабленного поля: при питании от источника ограниченной мощности путь, пройденный при разгоне до заданной скорости электропоездом, спроектированным без регулирования возбуждения тяговых двигателей, будет больше пути, пройденного электропоездом, спроектированным с регулированием возбуждения, на величину, равную половине пути, пройденного в режиме регулирования возбуждения. Это следствие тоже весьма определенно указывает на возможные последствия проектирования тяги подвижного состава.
Указанные следствия могут быть применены, например, испытателями для ответа на вопрос о точности результатов проведенных ими тяговоэнергетических испытаний электроподвижного состава. Степень совпадения результатов, теоретически предсказанных следствиями, с результатами измерений, сделанными в предварительных «эталонных» поездках, может служить мерой точности результатов последующих тягово-энергетических испытаний.
Вопрос о точности результатов тягово-энергетических испытаний сегодня, как правило, не ставится. А если и ставится, то в качестве ответа обычно ограничиваются ссылкой на точность предварительно поверенных приборов. Вместе с тем теоретический анализ результатов качественно выполненных тягово-энергетических испытаний способен оказать большую помощь в изучении устройств электрической тяги и в совершенствовании правил тяговых расчетов.
Весьма важными для развития электрической тяги являются исследования статистических материалов. Сегодня их накоплено уже достаточно много; многое трудно объяснимо и нередко выступает в качестве препятствия техническому прогрессу. Для обработки этих материалов нужны идеи и теоретические концепции, которые позволили бы навести порядок в этом своеобразном мире. Доказательством серьезности создавшегося положения служит возможность, опираясь на статистику, приводить бесконечные «за» или «против» по многим вопросам электрической тяги.
«Статистические материалы, характеризующие производство и эксплуатацию тяговых двигателей и электровозов, в большом количестве накапливаются у заводов-поставщиков, заводов-изготовителей, в эксплуатации и остаются, к сожалению, неиспользованными» [5].
4 Основные направления и особенности развития электрической тяги
Основные направления развития электрической тяги вытекают из вопросов, которые ставит перед этой прикладной наукой развитие производственных и общественных отношений: повышение безопасности и эффективности работы установок электрической тяги; сокращение расхода электроэнергии на перемещение грузов и эксплуатационных затрат; повышение скорости и надежности работы электроподвижного состава; повышение удельного веса перевозок, выполняемых электрической тягой; повышение мощности и экологической безопасности электротяговых устройств; разработка новых технологий процесса перевозок и пр.
Особенности развития электрической тяги на современном этапе выражаются в интенсивном использовании на транспорте последних достижений в области электроники, компьютерной техники, электротехники, автоматики, новых технологий и материалов.
5 Какими общенаучными методами пользуется электрическая тяга сегодня
В основном преобладает детерминизм. Целесообразно дополнить его методами теории вероятностей. На очереди использование методов теории вероятностей в теоретической части электрической тяги. Большая подготовительная работа в этом направлении проделана под руководством проф. И. П. Исаева [5].
Заключение
Несмотря на большое число хороших учебников по электрической тяге и на ее бесспорные достижения, наука эта еще не полностью сформирована. Ей предстоит очень многое сделать: создать свои собственные теории, проникнуть в неведомые области и открыть новые законы движения и проектирования электроподвижного состава.
«Инженер-тяговик, привлеченный к проектированию электрической железной дороги, должен не только правильно задать исходные данные, но и умело координировать всю работу по проектированию...» [6]. Поэтому знание основ и законов проектирования электрической тяги для него необходимо.
Библиографический список
1. Основы электрической тяги / А. Б. Лебедев. - Л.: ОНТИ, 1937. - 620 с.
2. Философские основания физики / Р. Карнап. - М.: Прогресс, 1971. - 390 с.
3. Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. -М.: Транспорт, 1983. - 328 с.
4. К теории тяговых параметров вагонов метрополитена / В. А. Мнацаканов. -М.: Труды ВНИИвагоностроения, 1975. - Вып. 26. - С. 89-103.
5. Стабильность характеристик электрических локомотивов / И. П. Исаев. - М.: Транспорт, 1976. - 308 с.
6. Основы проектирования электрической тяги / Т. Фергюсон; пер. с англ. - М.: Трансжелдориздат, 1957. - 407 с.
УДК 621.335.2
В. А. Усов
МЕХАНИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ КОЛЕСО-РЕЛЬС В РЕЖИМЕ ИЗБЫТОЧНОГО ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ЛОКОМОТИВА
Из совместного анализа тяговой характеристики и характеристики сцепления получено условие механической устойчивости системы колесо-рельс. Показано, что устойчивый характер реализации силы тяги может иметь место и на падающей ветви характеристики сцепления.
характеристика сцепления, сила тяги, устойчивость, упругое и жесткое проскальзывание, боксование.
Введение
Максимальная сила тяги локомотива ограничена условиями сцепления колес с рельсами. Зависимость силы сцепления от скорости скольжения колесной пары относительно рельсов называют характеристикой сцепления. Чаще характеристику сцепления представляют в относительных величинах в виде K = У(Уск), где K - отношение текущего значения силы сцепления к максимальной (рис. 1).
Восходящая ОМ и промежуточная МА ветви характеристики соответствуют неполному скольжению колесной пары, т. е. нормальному (без бок-сования) процессу реализации силы тяги. Падающая ветвь АВ характеризует режим боксования, которому сопутствуют увеличение скорости скольжения и снижение тягового усилия. Ветвь ВС соответствует уменьшению скорости скольжения.
Реализация силы тяги на восходящей ветви сопровождается упругим скольжением материалов колеса и рельса [2], [3], [4] без явного боксования колесной пары. Считалось, что при появлении жесткого проскальзывания колесная пара переходит в режим полного скольжения, т. е. боксования. Однако, как будет показано ниже, и на восходящей ветви характеристики сцепления возможны жесткие проскальзывания колесной пары относи-
тельно рельсов. Явного боксования при этом не наступит. Реализация силы тяги на промежуточной и падающей ветвях характеристики сцепления также может сопровождаться устойчивым режимом.
Рис. 1. Примерная характеристика сцепления (по Д. К. Минову)
1 Условие механической устойчивости системы колесо-рельс
Процесс реализации силы тяги, характеризующей взаимодействие колеса и рельса, может быть описан следующим выражением:
- T
W + = + m '/я
к.п
(1)
где ^кд - сила тяги тягового двигателя на ободе колесной пары;
T - сила сцепления колесной пары с рельсами;
WKM - сила сопротивления вращению колесной пары;
/к, /я - моменты инерции колесной пары и якоря тягового двигателя, а также связанных с ним деталей зубчатой передачи;
Rk - радиус колеса;
Шск - угловая скорость скольжения колесной пары; m - передаточное число привода.
Переходя от угловой скорости скольжения колесной пары к линейной и заменяя влияние момента инерции на эквивалентное значение массы тэ,
а также пренебрегая сравнительно малым значением сил сопротивления вращению колесной пары, получим:
F - T = т к'д э dt
(2)
где тэ - эквивалентная масса вращающихся частей, связанных с колесной парой;
Уск - скорость избыточного скольжения колесной пары относительно рельсов.
Скорость избыточного скольжения колесной пары тяговой оси, как следует из анализа характеристики сцепления, имеет место не только при боксовании колесной пары, но и при нормальном, без боксования, процессе реализации силы тяги. Это обстоятельство позволяет рассмотреть процесс реализации силы тяги с точки зрения статической устойчивости системы колесо-рельс.
Действительно, для того чтобы процесс реализации силы тяги был устойчивым (без боксования), необходимо, чтобы приращение ускоряющего,
усилия тэ
и приращение скорости скольжения Уск имели разные зна-
ки, а следовательно, их отношение представляло бы собой отрицательную величину. То есть
d (тэ )
dt
dV
< 0.
Принимая во внимание уравнение (2), получим:
(3)
или
d ( FK , - T ) dV
< 0
dF
к.д
<
dT
dV dV
(4)
То есть для устойчивого режима реализации силы тяги необходимо, чтобы темп изменения силы тяги на ободе колеса при изменении скорости скольжения колесной пары был меньше темпа изменения силы сцепления.
Темп изменения сил определяется формой характеристик. Форма характеристик оценивается коэффициентом жесткости. Поэтому целесообразно от абсолютных значений, характеризующих устойчивый режим реа-
лизации силы тяги (4), перейти к значениям коэффициентов жесткости характеристик.
dF„
Коэффициент жесткости тяговой характеристики XF =
к.д
dV,
или в
относительных величинах cF
1 dF^
к.д
F dV
к.дмакс ск
Коэффициент жесткости характеристики сцепления XT =
dT
или в относительных величинах cT Учитывая условие (4), получим
1 dT
T dV
макс ск
dV
Xf > Xt ,
(5)
или в относительных величинах
CF >%T •
(6)
Таким образом, если имеет место установившийся режим тяги, т. е. Fкд = T, то для определения механической устойчивости необходимо
сравнить коэффициенты жесткости их характеристик. Если соблюдается условие (5) или (6), то система колесо-рельс обладает устойчивостью и любое отклонение от этого равновесного состояния вернется к установившемуся режиму. Возможные жесткие проскальзывания колесной пары не приведут к развитию боксования.
Совместное рассмотрение тяговой характеристики и характеристики сцепления позволяет определить диапазон скоростей скольжения, при котором соблюдается условие (6), соответствующее устойчивому режиму реализации силы тяги. Значение скорости скольжения, при котором нарушается это условие, означает начало боксования колесной пары.
Будем называть механическую устойчивость системы колесо-рельс в режиме избыточного проскальзывания колесной пары относительно рельсов тяговой устойчивостью колесной пары локомотива.
2 Анализ реализации силы тяги, соответствующей восходящей ветви характеристики сцепления
Рассмотрим процесс реализации силы тяги на ободе колесной пары с точки зрения тяговой устойчивости (рис. 2).
Рис. 2. К анализу механической устойчивости колесной пары:
VH - скорость движения локомотива; Уо - окружная скорость вращения колесной пары; FKa(V) - тяговая характеристика на ободе колесной пары; Г(^к) -характеристика сцепления колесной пары
В точке 1 абсолютная скорость вращения колесной пары Vo равна сумме скоростей движения локомотива Vh и скорости скольжения V^. Очевидно, Vск = Vo — Vh. В этой точке сила тяги и сила сцепления равны, имеет место установившийся режим реализации силы тяги. Выполним анализ этого установившегося режима на устойчивость. Согласно выражению (4), для устойчивого режима реализации силы тяги в точке 1 необходимо, чтобы темп изменения силы тяги при изменении скорости скольжения был меньше темпа изменения силы сцепления. Очевидно, что это условие соблюдается и, следовательно, режим реализации силы тяги в точке 1 является не только установившимся, но и устойчивым. Аналогичный анализ можно провести по всей восходящей ветви характеристики сцепления и убедиться, что условие устойчивости для нее соблюдается. Становится очевидным, что при реализации силы тяги, соответствующей возрастающей части характеристики сцепления, могут иметь место не только упругие, но и жесткие проскальзывания колесной пары. Колесная пара при этом сохраняет устойчивость и не переходит в режим боксования.
Анализируя экспериментальные данные восходящей ветви характеристики сцепления [2], можно установить, что прямолинейная часть, где наблюдается прямая пропорциональность между силой тяги и скоростью проскальзывания, соответствует примерно 0,2% скорости скольжения и 70% максимальной силы тяги по сцеплению. Можно предположить, что
именно в этом диапазоне скоростей скольжения наблюдаются упругие деформации колеса и рельса. При больших значениях скоростей скольжения возможны жесткие проскальзывания. При этом характеристика сцепления будет отклоняться от прямолинейной формы, тяговая устойчивость сохраняется, а скорость скольжения может превышать возможные значения упругих величин.
Таким образом, восходящая ветвь характеристики сцепления является результатом не только упругих, но и жестких проскальзываний. Форма характеристики сцепления, полученная экспериментальным путем [4], подтверждает представленные рассуждения.
3 Анализ реализации силы тяги, соответствующей промежуточной ветви характеристики сцепления
Промежуточная ветвь характеристики сцепления МА (см. рис. 1) соответствует реализации режима тяги, в котором коэффициент сцепления достигает своего наибольшего значения (точка М) или незначительно снижается (точка А). При скорости скольжения большей, чем VA, наступает полное скольжение колесной пары, т. е. начинается боксование. На характеристике сцепления эта точка обозначена буквой А. Анализ на тяговую устойчивость, соответствующую промежуточной ветви, показывает, что точка А не может быть оценкой характеристики сцепления, определяющей область неполного скольжения (см. рис. 1). Момент наступления полного скольжения зависит от формы (жесткости) тяговой характеристики. Там, где жесткость тяговой характеристики становится меньше жесткости характеристики сцепления, т. е. нарушается условие (5), начнется полное скольжение, т. е. боксование. А так как жесткости тяговых характеристик разных типов локомотивов различны, то и положение точки А для них будет различным.
В работе [5] показано, как жесткость тяговой характеристики двигателя влияет на положение точки А на характеристике сцепления. Для анализа взят электровоз ВЛ22М с тяговыми двигателями смешанного возбуждения, жесткость тяговых характеристик которого могла меняться в широких пределах. С ростом жесткости тяговых характеристик точка А для каждой более жесткой характеристики смещалась вправо по кривой сцепления.
Если жесткость тяговой характеристики локомотива превышает жесткость падающей ветви АВ характеристики, то условие тяговой устойчивости (5) будет соблюдаться во всем диапазоне скоростей скольжения и колесная пара не будет иметь склонности к увеличению скольжения. Пусть, например, режим реализации силы тяги соответствует точке А (рис. 3), находящейся на падающей ветви характеристики сцепления. Условие тяговой устойчивости (5) при этом соблюдается.
Рис. 3. Механическая устойчивость колесной пары на падающей ветви характеристики сцепления:
1 - характеристика сцепления; 2 - тяговая характеристика скользящей оси; Т - сила сцепления; F - сила тяги на ободе колеса
Сила тяги скользящей колесной пары Fa будет иметь значительную, хотя и несколько меньшую, чем максимальная, величину. Очевидно, что такой режим может быть допущен в эксплуатации ограниченное время. Подобные характеристики, жесткость которых превышает жесткость характеристики сцепления, присущи локомотивам с тяговыми двигателями смешанного и независимого возбуждения, а также локомотивам с асинхронными тяговыми двигателями (имеются в виду естественные тяговые характеристики).
Заключение
1. Получено аналитическое условие статической механической устойчивости системы колесо-рельс в режиме проскальзывания колесной пары локомотива.
2. Уточнено понимание восходящей ветви характеристики сцепления. Показано, что кроме упругих здесь возможны и жесткие проскальзывания колесной пары. При этом восходящая ветвь характеристики сцепления может иметь не прямолинейный характер.
3. Промежуточная ветвь характеристики сцепления не может иметь четкой границы, обозначенной точкой А на рисунке 1. У разных типов локомотивов эта точка соответствует разным значениям скорости скольжения.
4. Показано, что локомотивы с жесткими тяговыми характеристиками не только не склонны к боксованию, но и в режиме полного скольжения колесной пары обладают тяговой устойчивостью и реализуют достаточно большое значение тяговых усилий.
Библиографический список
1. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей / Д. К. Минов. - М.: Транспорт, 1965. - 266 с.
2. Случайные факторы и коэффициент сцепления / И. П. Исаев. - М.: Транспорт, 1977. - 182 с.
3. Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. -М.: Транспорт, 1983. - 328 с.
4. Исследование скольжения колесной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях / Н. Н. Меншутин // Труды ВНИИЖТа. - М.: Транс-жесдориздат, 1960. - Вып 188. - С. 113-132.
5. К вопросу о характеристике сцепления и реализации силы тяги / В. А. Усов // Сб. науч. тр. - Свердловск: УЭМИИТ, 1970. - Вып. 31. - С. 19-23.
УДК 629.423
И. С. Цихалевский, Д. Л. Худояров
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РЕМОНТА КОЛЕСНЫХ ПАР ЛОКОМОТИВОВ СО СМЕНОЙ ЭЛЕМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ДЕПО
Колесные пары являются одним из важнейших узлов, требующих постоянного и усиленного внимания. Рассмотрены предпосылки и причины повышенного износа колесных пар. Приведена существующая программа действий по снижению износа гребней колесных пар. Возможность увеличения срока службы и повышения надежности бандажей колесных пар в условиях депо рассмотрена на примере реконструкции локомотивного депо Чусовская.
колесные пары, тяговый подвижной состав, износ бандажей, закаленный слой, профили катания, принцип взаимозаменяемости, наплавка гребней, оптимальный прокат, технологический износ, технический регламент.
Работа железнодорожного транспорта связана с непрерывным и интенсивным перевозочным процессом. Постоянно меняющиеся условия работы, перепады температур окружающей среды, большие динамические нагрузки - это лишь небольшая часть того, что оказывает серьезное влияние на техническое состояние подвижного состава. Ввиду этого к подвижному составу предъявляются повышенные требования по надежности, так как отказ локомотива ведет не только к значительным расходам на восстановление работоспособности, но и снижает безопасность движения, что недопустимо.
Нехватку тягового подвижного состава обостряет не только изношенность основных фондов отрасли и высокая стоимость восстановления, но отсутствие принципиально новых типов локомотивов. При таком положении необходимо уделить особое внимание развитию и совершенствованию ремонтной отрасли.
Колесные пары (КП) являются одним из важнейших узлов, требующих постоянного и усиленного внимания. От надежности колесномоторного блока зависит надежность локомотива в целом. Такие неисправности, как излом оси, разрыв бандажа, сдвиг колесного центра при движении электроподвижного состава, неизбежно приводят к тяжелым последствиям. В связи со сказанным выше нельзя не остановиться на проблеме надежности бандажей КП.
Износ КП и рельсов представляет собой сложный процесс, который определяется многими факторами. В количественном отношении между ними имеется взаимная связь, которую можно установить на основе имеющихся наблюдений за износом в процессе эксплуатации. Только постоянное, систематическое наблюдение за износом КП и рельсов поможет выявить основные причины и уменьшить их влияние на износ.
Механизм износа бандажей объясняется воздействием двух одновременно протекающих процессов: смятия металла, сопровождающегося пластической деформацией поверхностного слоя от воздействия рельса, и истирания при проскальзывании колеса по рельсу. В первом случае разрушение слоя и отрыв частиц обусловлены усталостными явлениями, во вто-
ром - происходит механический отрыв частиц от поверхности, срезание неровностей. Под непрерывным воздействием нормальной силы от рельса в процессе качения колеса происходит переупрочнение слоя, металл теряет пластичность и в очагах наибольшей деформации появляются микроскопические трещины, что приводит к отслоению и отделению частиц металла в виде лепестков толщиной около 13.. .30 мкм [1].
Износ элементов бандажа под действием касательных сил следует считать нормальным в тех случаях, когда износ по кругу катания опережает износ гребня, а интенсивность износа не превышает установленного значения. Согласно проведенным исследованиям [2], износ бандажа напрямую зависит от условий окружающей среды, а следовательно, и от времени года. В летний период гребень интенсивно изнашивается, так как накапливаются микроскопические деформации. Когда способность к упрочнению бандажа исчерпывается, наклёпанные слои разрушаются, вымываются. Жидкость, внедряющаяся летом при ударах в образовавшиеся микротрещины, ведёт себя подобно клину, раздвигающему стенки трещины. Происходит перенос материала рельса на более мягкую поверхность бандажа. На поверхности рельса образуются риски в результате царапающего действия перенесённого металла, находящегося на бандаже в состоянии наклёпа.
Низкие температуры зимой могут влиять на глубину закалённого слоя и его твёрдость. Белый слой является характерным проявлением образования новых структур. Образование трещин в зимнее время повышает износ бандажа, острые кромки оказывают режущее действие, вблизи кромок материал бандажа выкрашивается.
Износ бандажа напрямую связан с износом гребня. Повышенный износ гребня связан со многими факторами, среди которых следует отметить
[2], [3]:
изменение ширины колеи с 1524 на 1520 мм; повышение нагрузки колес на рельсы;
изменение конструкции локомотива (вместо челюстных буксовых узлов перешли на поводковые);
движение локомотива с интенсивной подачей песка; нарушение подуклонки рельсов; перекосы КП в раме тележки; нарушение развески локомотивов; разница диаметров колес в колесной паре; разница в твердости бандажей КП и рельсов.
Прокат бандажа 7 мм (при скоростях движения до 120 км/ч) служит причиной обточки, однако основная доля обточек производш^я не по причине проката, а вследствие износа гребня, что неизбежно ведет к повышенному технологическому износу. Для снижения технологического износа следует не только применять современное оборудование в ремонтном процессе, но и проводить мероприятия по снижению износа гребня.
Существующую программу действий по снижению износа гребней составляют следующие мероприятия [4]:
применение гребне- и рельсосмазывания для уменьшения силы трения в контакте колесо-рельс;
подбор профилей катания бандажа в соответствии с профилем и планом рельсового пути;
содержание в эксплуатации КП строго по геометрии рамы тележки и локомотива.
Важную роль в процессе работы пары трения колесо-рельс играет профиль бандажа. В мировой практике насчитывается более двух десятков профилей поверхностей катания КП. В России локомотиворемонтные заводы поставляют дорогам КП с профилем бандажа в соответствии с ГОСТ 11018-2000) [5], в то время как каждое депо выбирает профиль бандажа самостоятельно. Таким образом, КП, полученные с завода, подвергаются обточке в депо и поверхностное упрочнение бандажа, если оно имелось, срезается. В таких условиях переход на единый профиль способствует увеличению срока службы бандажей, однако подобный переход связан с рядом проблем, обусловленных спецификой работы каждой дороги.
Немаловажное значение для повышения уровня надежности работы не только механической части, но и всего локомотива в целом имеет ресурс деталей. Расчет этого параметра дает возможность найти лимитирующее оборудование (имеющее наименьший ресурс работы) и, приняв ряд мер по повышению срока его службы, увеличить межремонтные пробеги. Одним из основных путей достижения эффективности использования локомотивов является обеспечение их ремонтопригодности, которая закладывается при проектировании и изготовлении оборудования, что в первую очередь влияет на создание экономически оправданной системы технического обслуживания и ремонта. Для этого принята концепция модификации локомотивов, принцип взаимозаменяемости деталей и узлов локомотивов различных серий. Ремонтопригодность базового локомотива обеспечивается также простым доступом ко всем деталям и узлам, сокращением числа видов инструмента, сокращением времени обслуживания.
Основные показатели системы технического обслуживания и ремонта - межремонтные пробеги, объемы ремонтов и осмотров, продолжительность их выполнения. Система технического обслуживания и ремонта зависит также от условий эксплуатации, под влиянием которых происходят изменения технического состояния локомотивов. Наряду с этим необходима грамотно организованная и экономически оправданная работа локомотиворемонтных заводов и депо с многоступенчатым контролем проводимых операций. Это даст возможность не только сократить время простоя электровозов в ремонте, но и, что очень важно, повысить качество их ремонта при бездефектном исполнении.
Увеличить срок службы бандажей можно также, используя методику определения оптимального проката [8]. Оставляя остаточный прокат, уда-
ется не только снизить технологический износ, но и максимально реализовать силу тяги по сцеплению.
Средством снижения технологического износа бандажей может служить наплавка гребней. Более 50 лет назад благодаря наплавке гребней бандажей был значительно увеличен срок их службы [9]. Согласно инструкции ЦТ-336 от 11.08.1995 («Инструкция по сварочным и наплавочным работам при ремонте тепловозов, электровозов и дизель-поездов»), разрешается производить наплавку гребней бандажей КП локомотивов грузового движения с выкаткой их из-под локомотива. Процесс восстановления изношенного гребня без наплавки является экономически невыгодным, так как для увеличения толщины гребня приходится снимать с поверхности катания значительный слой металла. При наплавке гребней бандажей получаем значительную экономию времени и средств ввиду отсутствия необходимости отправки КП на завод или в колесный цех для ремонта со сменой элементов. Если организовать процесс наплавки гребней без выкатки КП из-под локомотива, затраты времени на производство ремонта существенно снизятся.
Таким образом, в условиях депо существует возможность значительно увеличить срок службы и повысить надежность бандажей КП. Возможность ремонта КП без отправки на локомотиворемонтные заводы дает значительную финансовую экономию.
Потребность Свердловской железной дороги в ремонте КП локомотивов в настоящее время реализуется на собственных предприятиях и локомотиворемонтных заводах. В рамках дороги три локомотивных депо заняты в производстве капитального ремонта КП. Это локомотивные депо Свердловск-Сортировочный, Чусовская и Егоршино. В 2005 году мощностей дорожных колесных мастерских оказалось недостаточно для выполнения ремонта потребного количества КП. Необходимость в отправке КП для ремонта на завод обоснована неудовлетворительным состоянием технологического оборудования колесных цехов локомотивных депо Свердловской дороги.
В локомотивных депо дороги, имеющих приписной парк электровозов, ежесуточно простаивает до десятка машин в ожидании перекаток КП. Основной причиной сложившегося положения является увеличение отбраковки КП по неисправности зубчатых колес и колесных центров. КП с такими дефектами из-за отсутствия необходимого технологического оборудования направляются на ремонтные заводы. Большая часть оборудования отработала нормативный срок службы, нуждается в замене и не позволяет производить ремонт КП в соответствии с требованиями технологического регламента.
Увеличение парка электровозов серии ВЛ11, восстанавливаемых из запаса ОАО РЖД для обеспечения возрастающих объемов грузоперевозок, неизбежно приведет к увеличению объемов ремонта КП.
В связи с этим службой локомотивного хозяйства предложено провести реконструкцию колесного цеха локомотивного депо Чусовская с доукомплектованием колесного цеха оборудованием до требований технического регламента для возможности выполнения всей программы ремонта КП с исключением их отправки на завод. Объем ремонта КП электровозов ВЛ11 в депо Чусовская в 2005 г. составил 267 единиц. Предполагается увеличить программу ремонта КП электровозов ВЛ11 до 500 единиц в год.
Для сравнения настоящего положения вещей с положением после предполагаемой реконструкции был произведен анализ существующей технологической базы в колесном цехе депо Чусовская.
При расчете количества оборудования, необходимого для выполнения заданной программы ремонта КП, в локомотивном депо Чусовская применена методика расчета лимитирующего оборудования. Были учтены особенности конструкции КП, ремонтируемых на данном предприятии.
Для заданной программы ремонта КП электровозов ВЛ11 (500 КП в год) расчет ведется следующим образом.
Количество времени, необходимого для выполнения программы ремонта, рассчитывается как
T = N • t
нор •
где N - количество КП в соответствии с программой ремонта;
^ор - нормированное время на выполнение операции в соответствии с расценочной ведомостью на ремонт КП со сменой элементов.
Количество смен, необходимых для выполнения операции:
Т
Псм = — >
^см
где /см - продолжительность смены.
Таким образом, количество оборудования, необходимого для проведения операции, можно найти следующим образом:
п
об
П
Д • n
Г^р I
к.
нер ;
сут
где поб - количество оборудования, необходимого для определенной операции;
Др - количество рабочих дней в году;
кнер - коэффициент неравномерности загрузки оборудования;
псут - количество смен в сутки.
Используя приведенные выше формулы, можно рассчитать количество необходимого оборудования для выполнения заданной годовой программы ремонта.
Возможны три варианта работы:
круглосуточно без выходных и праздничных дней - 365 сут;
круглосуточно за вычетом праздничных дней - 353 сут;
круглосуточно с выходными и праздничными днями - 249 сут.
В данном случае площади цеха позволяют разместить необходимое оборудование в полном объеме. Расстановка оборудования на территории цеха произведена в соответствии с установленными техническими указаниями по проектированию тепловозных и электровозных депо и экипировочных устройств.
Расчет экономической эффективности выполнен по принципу сравнения двух вариантов:
1. «До реализации проекта» (на площадях колесного цеха локомотивного депо Чусовская производится ремонт 267 электровозных колесных пар);
2. «После реализации проекта» - принимаем состояние после реконструкции (на площадях колесного цеха локомотивного депо Чусовская будет производиться ремонт 500 электровозных колесных пар).
Эффектообразующим фактором при реализации проекта, то есть реконструкции колесного цеха локомотивного депо Чусовская, является сокращение эксплуатационных расходов, обусловленных разницей в затратах на ремонт колесных пар в условиях заводов и депо.
Затраты по дооснащению колесного цеха локомотивного депо Чусовская до соответствия требованиям технологического регламента составят 51 653,64 тыс. руб. Предполагается, что вливание инвестиций в реконструкцию колесного цеха локомотивного депо Чусовская будет производиться в 2007 году.
После реконструкции колесного цеха локомотивного депо Чусовская контингент остается прежним, значит затраты на оплату труда и отчисления на социальные нужды останутся неизменными. Затраты на материалы также останутся на прежнем уровне, так как они рассчитаны исходя из норм расхода на ремонт одной колесной пары.
При расчете оценочных показателей рассматриваемого проекта в программе «Альт-Инвест» при горизонте расчета 10 лет, ставке дисконта 10% получены следующие результаты: простой срок окупаемости - 3,7 года, дисконтированный срок окупаемости - 4,3 года.
Подобным образом службой локомотивного хозяйства Свердловской железной дороги планируется произвести реконструкцию колесного цеха локомотивного депо Свердловск-Сортировочный с увеличением программы ремонта до 1200 КП в год.
Внедряемые мероприятия позволят не только снизить затраты времени и средств на ремонт, но и усовершенствовать ремонтную базу локомотивных депо Свердловской железной дороги, увеличив их востребованность, что актуально в настоящее время.
Библиографический список
1. Повышение долговечности бандажей колесных пар / Д. А. Курасов. - М.: Транспорт, 1981. - 160 с.
2. Исследования эффективности применения лубрикации гребней колесных пар подвижного состава : дис. ... канд. техн. наук / И. С. Цихалевский. - Екатеринбург, 1998. - 118 с.
3. Пути снижения износа гребней колесных пар локомотивов / В. Е. Кононов // Локомотив. - 2005. - № 2 - С. 34-35.
4. От чего повреждаются бандажи / А. А. Сашко // Локомотив. - 2005. - № 10 -С. 36-37.
5. Колесо: анфас и профиль / Ю. Ликратов // Гудок. - 13.01.2006.
6. Оптимизация системы ремонта локомотивов / А. В. Горский, А. А. Воробьев. -М.: Транспорт, 1994. - 208 с.
7. Организация системы бездефектного подъемочного ремонта электровозов / В. Т. Стрельников, И. П. Исаев - М.: Транспорт, 1975. - 160 с.
8. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель-поездам. Т. 2 / ред. А. И. Тищенко. - М.: Транспорт. - 1976. - 376 с.
9. Вакцина от износа / А. Т. Головатый // Гудок. - 22.10.2003.
